地下水位升降過程中的黏土地基孔壓變化試驗研究

唐逸凡,焦艷梅,劉新原,齊大洪,宋林輝

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 數(shù)理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 211800;2. 徐州地鐵集團有限公司,江蘇 徐州 221000)

城市地下工程近年來得到大規(guī)模的發(fā)展,地下結(jié)構(gòu)抗浮是工程設(shè)計中的一個重要課題,尤其是在頻發(fā)的極端暴雨條件下,突增水位對已建地下結(jié)構(gòu)的抗浮帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。浮力大小主要取決于基底孔壓,已有模型試驗顯示,砂土層中的基底孔壓等于理論水壓強,其浮力可按阿基米德理論公式計算[2],而黏土層中的基底孔壓則比較難確定,爭議較大[3-4],研究表明:其相比理論水壓強,存在明顯的折減和滯后[5-6]。實際上,砂土層和黏土層中孔壓的差異主要體現(xiàn)在對孔壓的傳遞上[7],砂土中的孔壓與水壓類似,可瞬間聲速傳遞,而黏土方面,倪春海等[8]在黏土層頂部,陸啟賢等[9]在黏土層側(cè)面施加水壓探討孔壓傳遞規(guī)律,均發(fā)現(xiàn)黏土中的孔壓傳遞比較慢。另外,有學(xué)者專門研究了外界條件變化下的孔壓響應(yīng),Abdollahi等[10]基于滲流-變形耦合模型對海嘯荷載下的地基土進行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)土體中的孔壓受海嘯高度和持續(xù)時間的綜合影響。Wang等[11]對未擾動軟黏土進行主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)試驗,發(fā)現(xiàn)孔壓積累隨主應(yīng)力的旋轉(zhuǎn)而波動。Di Miao等[12]通過對斜坡孔壓監(jiān)測發(fā)現(xiàn),降雨是造成邊坡深層孔隙水壓力變化的主要因素之一。Wang等[13]在非均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究中也發(fā)現(xiàn)孔壓會隨著降雨強度的增大而上漲,從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。Huang等[14]發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)化土體中孔壓的變化對于施加的應(yīng)力大小更為敏感。Wang等[15]在分析三峽水庫舒坪滑坡事件時發(fā)現(xiàn),滑坡體內(nèi)部孔壓和水庫水位的波動一致,但具有明顯的滯后性。應(yīng)宏偉等[16-17]推導(dǎo)半解析解,分析地下水位波動下基坑周圍地基土的孔壓響應(yīng)及對擋墻穩(wěn)定性的影響。Jin等[18]采用離心模型試驗,研究了土石壩中的孔壓和位移在水位波動下的特性。上述文獻關(guān)注的主要是土體超靜孔壓的消散過程,孔壓的變化還受土層的滲流和滲透系數(shù)的影響[19],章麗莎[20]分析地下水位變化對地基及基坑滲流特性的影響。宋林輝等[21]通過試驗發(fā)現(xiàn):在自上而下的水壓作用下,土體的滲透系數(shù)會減小,并引起孔壓消散滯后時間延長。綜上所述,現(xiàn)有研究主要是關(guān)注靜止水位下的基底孔壓大小和水位變化下的超靜孔壓消散問題,水位變化后的孔壓傳遞過程和基底孔壓變化有待研究。

1 試驗方案

1.1 試驗思路

針對季節(jié)性豐枯水期和暴雨導(dǎo)致的地下水位升降條件下地下結(jié)構(gòu)基底黏土層中的孔壓變化規(guī)律,開展試驗研究,研究思路如圖1所示。由圖1可知:選取地下水位下一定深度處的分析單元,先施加固結(jié)壓力和水壓以恢復(fù)其現(xiàn)場自重應(yīng)力狀態(tài),再變化水壓大小以模擬水位上升、回落和下降,同時監(jiān)測黏土層中不同位置處的孔壓,從而得出孔壓變化規(guī)律。

圖1 研究思路Fig.1 Conceptual framework

1.2 試驗工況

參照不同深度土體所處應(yīng)力狀態(tài),設(shè)置3組固結(jié)壓力和初始水壓(分別模擬地下10、20、30 m處土體的應(yīng)力),制定試驗加載方案(表1)。

表1 試驗加載方案

由表1可知:一共進行3組試驗(T1、T2、T3),每組試驗在初始水壓G0基礎(chǔ)上按20%的幅度增減水壓大小,以模擬水位上升、回落、下降3種工況(G1、G2、G3)。

1.3 試驗土體

試驗用土取自某基坑坑底,勘察報告顯示,土體為黃色黏土,將其運至實驗室,晾干、粉碎、過1 mm 篩后,進行液塑限指標(biāo)試驗,得到的物理參數(shù)如表2所示。由表2可知:試驗土體為低液限黏土。

表2 土體物理參數(shù)

1.4 試驗設(shè)備

依據(jù)試驗要求,研制了一套剛性壁固結(jié)滲透裝置,包括滲透測試筒、固結(jié)壓力施加杠桿、水壓施加設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其中的滲透測試筒是關(guān)鍵部件(圖2)。由圖2可知:滲透測試筒由鋼底座、有機玻璃滲流筒和鋼蓋板組成,三者相互之間采用橡膠墊和螺栓連接,可裝配形成密閉腔體。鋼底座側(cè)邊留有帶測壓孔的進水孔A,以便從底部施加確定的水壓。筒體總高60 cm、內(nèi)徑20 cm,筒體側(cè)壁沿高度方向每隔10 cm均勻設(shè)置了5個測壓孔(孔內(nèi)設(shè)有透水石),測壓孔通過細(xì)管與孔壓傳感器相連,并利用電腦自動采集數(shù)據(jù)。鋼蓋板中間設(shè)有加壓桿套,加壓桿通過桿套穿過蓋板傳遞杠桿荷載給試樣施加固結(jié)壓力,加壓桿上加裝了位移測試板,用于放置位移計;蓋板上另設(shè)2個孔道,一個是帶水壓表的排泄孔,用來排氣排水,另一個是進水孔B,用于試驗前的注水;2個進水孔和1個排泄孔均設(shè)有閥門,可按需開啟和關(guān)閉。

圖2 滲透測試筒(cm)Fig.2 Container of penetration test (cm)

水壓是由氣泵經(jīng)密閉罐施加的,密閉罐是帶氣囊的,將內(nèi)部空間分成氣室和水室,其中氣室的進氣口接氣泵,水室的出水口接滲流筒鋼底座上的進水孔A,氣泵加壓后,氣室的壓力傳遞到水室實現(xiàn)加壓,且可避免氣體混入水中。

孔壓計采用的是杭州美控自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的進口擴散硅水壓傳感器,量程0～0.6 MPa、綜合精度0.25級。試驗前,通過將滲透測試筒(圖2)注滿水后打倒平放,按50 kPa增幅逐級施加水壓至500 kPa,一次性對6個孔壓計進行標(biāo)定,并依據(jù)標(biāo)定線挑選孔壓計,最后安裝使用的孔壓計標(biāo)定數(shù)據(jù)線性良好,精度在0.5 kPa以內(nèi)。另外,筒頂備用的水壓表采用的是上海自動化儀表四廠生產(chǎn)的YB-150A型精密壓力表,量程0～1.0 MPa、精度0.40級。

1.5 試驗步驟

參照試驗工況,每組試驗可分為7個步驟。

① 準(zhǔn)備工作:組裝試驗裝置并進行密封性檢測,確保試驗過程中不漏水;同時,將粉碎過篩后的黏土放入飽和桶中抽氣飽和,時間不少于24 h。

② 防滲漏處理:在滲流測試筒內(nèi)壁涂抹一層凡士林,其中接孔壓計的孔口處及往上5 cm區(qū)域在抹凡士林前貼上1 cm寬的紙膠帶,抹好凡士林后再撕掉,這樣既可避免筒壁與土體界面間的滲漏,又能避免凡士林堵住孔口。

③ 土體填筑:將飽和好的黏土分層填入滲流筒內(nèi),并打開側(cè)壁的測壓孔和底座的進水孔A,靜置10 h以上,以使土體在自重下排水固結(jié)。為保證土樣的均質(zhì)性,除了前述過1 mm篩網(wǎng)和抽氣飽和24 h以上外,還通過使用透明筒體直接觀察分層填入土體的狀態(tài),并在完成填土后,將滲流測試筒置于高頻底幅振動臺上振動約5 min,振后土體呈黏糊狀。

④ 加壓固結(jié):將筒內(nèi)上層的浮漿移除,填入厚約5 cm用于找平的砂層,通過杠桿逐級施加荷載直至達到表1中每組試驗所要求的固結(jié)壓力,且在該固結(jié)壓力下土體的沉降穩(wěn)定,即變形小于0.01 mm/h。

⑤ 施加水壓:用注滿水的高壓水管將筒壁測壓孔與孔壓傳感器連接,進水孔B與水桶連接,然后從排泄孔中抽氣,水在負(fù)壓下流入筒上部,保證無氣泡,注滿后關(guān)閉排泄孔和進水孔B。再由進水孔A從試樣底部施加初始水壓,靜置2 d以上,以形成土體所處的自重應(yīng)力狀態(tài),裝置照片如圖3所示。

圖3 試驗裝置照片F(xiàn)ig.3 Photo of experimental setup

⑥ 變化水壓:開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),采集每組試驗中各測點的初始孔壓,并設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔為0.05 h;然后按表1增減水壓,以模擬水位上升、回落、下降3種工況,每種工況下,各測點孔壓均需達到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定狀態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)是每小時的孔壓變化小于該組試驗初始水壓(pw0)的0.3%,每組試驗的時間不少于48 h。試驗結(jié)束后,將對試樣取樣進行常規(guī)土工試驗,表3為每組試樣的物理參數(shù)。

表3 每組試樣的物理參數(shù)

⑦ 數(shù)據(jù)處理與分析:運用采集的數(shù)據(jù)對比各測點的孔壓和變化規(guī)律,并與理論值對比。

2 孔壓測試結(jié)果

依據(jù)試驗步驟①—⑤,可完成3種應(yīng)力狀態(tài)試樣的制作,并得到初始孔壓;再依據(jù)試驗步驟⑥,分別增大和減小3組試樣上所施加的水壓大小,可得到水位上升、回落和下降3種工況下土層中的孔壓變化情況,現(xiàn)按工況逐個討論。

2.1 理論孔壓與初始孔壓

前述不同固結(jié)壓力和水壓下的組合共形成9種試驗工況,為便于后期的對比分析,現(xiàn)將9種試驗工況下各測點在靜水壓狀態(tài)下的理論孔壓列于表4中。

表4 不同試驗工況下的理論孔壓

施加固結(jié)壓力和初始水壓并沉降穩(wěn)定后,3個試樣各點的初始孔壓如表5所示。

表5 初始孔壓

2.2 水位上升時的孔壓變化

先對3組試樣施加增量水壓以模擬G1水位上升工況,該工況下各測點的孔壓變化如圖4所示。由圖4可見:1#測點的水壓瞬間增大到設(shè)定大小,試驗過程中有因補充壓力而出現(xiàn)的微小波動;位于試樣中的2#～5#這4個測點的孔壓變化響應(yīng)是從2#測點逐個傳遞至5#測點的,2#測點距離1#測點最近,5#測點距離1#測點最遠,表明增加的孔壓在黏土中傳遞需要時間,存在滯后效應(yīng)。6#測點基本與5#測點變化同步,因為6#測點位于水中,說明孔壓在水中的傳遞很快,無滯后。

圖4 水位上升時(G1)各測點孔壓隨時間的變化Fig.4 Variation of pore pressure with time at each measuring point under rising water level (G1)

孔壓的變化都經(jīng)歷了由陡增到緩增的過程,不同試樣的孔壓在15 h內(nèi)都將達到穩(wěn)定狀態(tài),且可得到各點的上升穩(wěn)定孔壓。另外,不同試樣孔壓進入穩(wěn)定狀態(tài)的時長隨固結(jié)壓力的增大而增大,因為固結(jié)壓力越大,土體越密實,滲透系數(shù)越小,達到滲流穩(wěn)定所需的時間就越長。為直觀對比,將上升穩(wěn)定孔壓和試驗結(jié)束孔壓除以表4中對應(yīng)試驗工況的理論孔壓,可得孔壓比,并沿測點位置高度繪制成圖5。由圖5可見:試樣中下部的孔壓比在0.98以上,與理論值很接近,試樣上部的最小孔壓比約為0.92?？讐罕葘嶋H是孔壓的折減系數(shù),即水位上升過程中,穩(wěn)定孔壓達到了理論值的92%以上,在后續(xù)30多個小時中,各點孔壓緩慢增大,但增量很小,最小孔壓比增至0.95左右,即孔壓的折減量在5%以內(nèi)。

圖5 水位上升工況下的孔壓比Fig.5 Ratio of pore water pressure under rising water level

2.3 水位回落時的孔壓變化

將施加在試樣上的增量水壓卸除,降至初始水壓大小以模擬G2水位回落工況,則該工況下各測點的孔壓變化如圖6所示。由圖6可見:1#測點水壓瞬間回落到設(shè)定大小,其余各點的孔壓變化均經(jīng)歷了由陡降到緩降的過程。對于6#測點的孔壓,在T1-G2工況下大于5#測點的孔壓、在T2-G2工況下大于4#和5#測點的孔壓、在T3-G2工況下大于3#、4#、5#測點的孔壓,表明有水壓滯留在滲流測試筒上部,且固結(jié)壓力越大,滯留的壓力越大,表明弱透水性土中的滲流存在滯后現(xiàn)象。

圖6 水位回落時(G2)各測點孔壓隨時間的變化Fig.6 Variation of pore pressure with time at each measuring point under falling water level (G2)

當(dāng)水位回落時,不同試樣的孔壓在11 h內(nèi)都將達到穩(wěn)定狀態(tài),且可得到各點的回落穩(wěn)定孔壓,將回落穩(wěn)定孔壓做與前述相同的處理,可得到水位回落工況下的孔壓比(圖7)。由圖7可見:水位回落過程中的孔壓達到穩(wěn)定時,各點的孔壓比在0.98以上,即孔壓為理論值的98%,特別是6#測點的孔壓還略大于理論值,后續(xù)測試時間內(nèi)孔壓比呈減小趨勢,最小孔壓比降至0.96左右,即孔壓的折減量在4%以內(nèi),其大小與G1工況很接近。

圖7 水位回落工況下的孔壓比Fig.7 Ratio of pore water pressure under falling water level

值得強調(diào)的是,G1工況的孔壓折減量隨時間的延長而減小,到試驗結(jié)束時減至5%;而G2工況的孔壓折減量隨時間的延長而增大,到試驗結(jié)束時增至4%。兩者的變化趨勢剛好相反,假若試驗時間無限長,兩者將達到一個相同值,在此可取平均值4.5%。

2.4 水位下降時的孔壓變化

繼續(xù)將施加在試樣上的水壓降低0.2pw0,以進行水位下降工況(G3)試驗,則該工況下各測點的孔壓變化如圖8所示。由圖8可見:孔壓整體變化趨勢與水位回落相同,但水位下降時,孔壓達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間比水位回落時稍長,這是因為施加的水壓降低,水力梯度減小,相同滲流量的滲流時間延長。

圖8 水位下降時(G3)各測點孔壓隨時間的變化Fig.8 Variation of pore pressure with time at each measuring point under declining water level (G3)

水位下降時,不同試樣的孔壓在15 h內(nèi)都將達到穩(wěn)定狀態(tài),且可得到各點的下降穩(wěn)定孔壓,將下降穩(wěn)定孔壓做與前述相同的處理,可得到水位下降工況下的孔壓比(圖9)。由圖9可見:水位下降過程中,各點孔壓在達到穩(wěn)定時的大小非常接近理論值,孔壓比在0.97以上,即孔壓為理論值的97%,且6#測點的水壓因滯留在筒上部,超出靜水壓理論值。在后續(xù)過程中,各點孔壓僅有微小減幅,最終的孔壓比在0.96以上,即孔壓折減量在4%以內(nèi),與G2工況相同。

圖9 水位下降工況下的孔壓比Fig.9 Ratio of pore water pressure under declining water level

3 孔壓變化影響因素分析

上述測試數(shù)據(jù)表明不管是水位上升、回落還是下降,土體內(nèi)的孔壓變化響應(yīng)都較快,且48 h后與理論值相差4%～5%。孔壓變化是滲流和水壓傳遞的表現(xiàn),主要受施加在土體上的固結(jié)壓力和水壓的影響,其中固結(jié)壓力是壓密土體、減小滲流通道、減緩孔壓變化響應(yīng)的,而水壓是提高水力梯度、增大滲流驅(qū)動力、加快孔壓變化響應(yīng)的,前述不同工況下的孔壓變化響應(yīng)是兩者綜合作用下的表現(xiàn)。

另外,水壓施加歷史亦對孔壓變化響應(yīng)有較大影響,比如G0初始工況和G2水位回落工況下的固結(jié)壓力和施加的水壓完全相同。圖10為按前述方法處理得到的G0和G2工況下的孔壓比。由圖10可見:水位回落后,各測點的孔壓比更趨向1,即更接近理論值,原因是試樣之前經(jīng)歷了水位上升工況,施加過較大水壓,打開了更多的滲流通道,增量水壓卸除后,部分流道依舊保持流通狀態(tài),使得滲流更充分、孔壓變化響應(yīng)更快速。

圖10 G2和G0工況下的孔壓比Fig.10 Ratio of pore water pressure in the cases of G2 and G0

變化水壓會在試樣中形成水頭差和水力梯度,從而驅(qū)動滲流,現(xiàn)具體分析水力梯度對孔壓變化的影響,示意圖如圖11所示。

圖11 作用在試樣上的水頭示意圖(cm) Fig.11 Schematic diagram of water head acting on the sample (cm)

由圖11可知:在G1水位上升工況下,試樣底部的總水頭(hb)高于頂部的總水頭(ht),形成向上的滲流,其水力梯度(i1)為

(1)

式中:pwb和pwt分別為試樣底部和頂部水壓,zb和zt分別為試樣底部和頂部位置水頭,γw為水的重度,H為試樣的高度。

在G2水位回落和G3水位下降工況下,試樣底部的總水頭(hb)低于頂部的總水頭(ht),形成向下的滲流,其水力梯度(i2)為

(2)

基于上述測試數(shù)據(jù),利用式(1)和(2),可計算得到3組試驗(T1、T2和T3)在3種工況(G1、G2和G3)下,初始時刻和孔壓穩(wěn)定時刻時的水力梯度,如表6所示。

表6 水力梯度

由表6可知:在G1水位上升工況下,3個試樣達到孔壓穩(wěn)定時的水力梯度為1.15～4.40,固結(jié)壓力越大,所需水力梯度也越大;在G2水位回落和G3水位下降工況下,水位下降比水位回落所需水力梯度稍大,兩者達到孔壓穩(wěn)定時所需水力梯度為0.07～0.91,整體較水位上升工況要小,兩者相差一個數(shù)量級。因此,水位上升對孔壓形成影響的條件相對較高,水位下降的條件相對較低,水位回落的條件最低,孔壓變化響應(yīng)最快。

與實際工程相比,試驗中的6#測點水壓即是浮力計算中的水壓強,現(xiàn)整理出6#測點水壓每隔1 h的數(shù)據(jù),并計算得到水壓變化率,結(jié)果如圖12所示。

圖12 試樣頂部的水壓變化率Fig.12 Change rate of water pressure at the top of sample

由圖12可見:雖然每個試驗工況的時間均為48 h,考慮到前2 h的水壓變化率過大,后24 h的水壓變化率基本不變,故取2～24 h期間的典型階段進行分析,從水壓變化率曲線可見,前6 h水壓處于急劇變化階段,6～15 h水壓逐步趨于穩(wěn)定,15 h以后水壓便進入微小波動階段。因此,據(jù)試驗結(jié)果可知:水位升降在基底引起的水壓變化響應(yīng)較快,并在15 h內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài),且水壓穩(wěn)定時的水力梯度范圍為0.07～4.40。而在實際工程中,由于滲流路徑長,水位升降產(chǎn)生的水力梯度往往很小,圍護結(jié)構(gòu)的坑底深度和基坑挖深(D)按1∶1考慮,則坑外水位到基底的滲流路徑(L)長約3D,前述20%幅度的升降水位形成的水力梯度約為0.067,與水力梯度試驗值相比,該值在孔壓處于穩(wěn)定狀態(tài)的水力梯度范圍內(nèi),即不會在土體中形成滲流或引起的滲流流速極慢,短期內(nèi)對基底水壓基本沒有影響。

4 結(jié)論

針對暴雨條件下黏土中的地下結(jié)構(gòu)是否會浮起的工程問題,筆者著眼于黏土地基中的基底孔壓,開展不同應(yīng)力條件下的黏土滲流試驗,重點研究了水位上升、回落和下降過程中土層內(nèi)孔壓的變化規(guī)律,分析了水力梯度對孔壓變化的影響,得到如下結(jié)論:

1)黏土地基中的孔壓相比理論值存在少量的折減,在水位上升工況下,各點孔壓均隨時間的延長而增大,上升穩(wěn)定孔壓為理論值的92%以上,之后繼續(xù)微增至95%左右,折減量約為5%;在水位回落和下降工況下,各點孔壓均隨時間減小,穩(wěn)定孔壓超過理論值的97%,之后繼續(xù)微降至96%左右,折減量約為4%。

2)影響孔壓變化的因素包括固結(jié)壓力、水壓及其施加歷史、水力梯度。固結(jié)壓力越大,土體越密實,孔壓變化越滯后;水壓具有增加流道的作用,施加過水壓,水壓越大,則孔壓變化越快;只有產(chǎn)生足夠大的水力梯度才能引起孔壓變化,水位上升工況下的水力梯度為1.15～4.40時,孔壓處于穩(wěn)定狀態(tài),水位回落和下降工況下的水力梯度為0.07～0.91,且土體越密實,孔壓穩(wěn)定時的水力梯度越大。

3)在實際工程中,20%幅度的升降水位形成的水力梯度約為0.067,未達到引起孔壓變化的下限值,故其在土體中形成的滲流流速極慢,短期內(nèi)對基底水壓基本沒有影響。

上述結(jié)論適用于黏土地基及位于其中的地下結(jié)構(gòu),對于砂土地基或肥槽回填不當(dāng)?shù)牡叵陆Y(jié)構(gòu),地下水位升降會引起基底孔壓的實時響應(yīng),危及地下結(jié)構(gòu)的安全,本文研究結(jié)果為此類問題的處理提供了方向和理論依據(jù),具有很好的工程價值。